На правах рукописи

Гареева Наталья Борисовна РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ ПО ЦИФРОВЫМ МОДЕЛЯМ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ НА БАЗЕ ДАННЫХ ЗОНДИРОВАНИЯ Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа - 2003

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и Государственном унитарном предприятии Научноисследовательский, проектно-конструкторский и производственный институт строительного комплекса Республики Башкортостан (БашНИИстрой, г. Уфа).

Научный консультант доктор технических наук, старший научный сотрудник РЫЖКОВ Игорь Борисович.

Официальные оппоненты: заслуженный строитель РФ, доктор технических наук, профессор БАХОЛДИН Борис Васильевич;

советник РААСН, доктор технических наук, профессор БОГОМОЛОВ Александр Николаевич;

заслуженный строитель РБ, доктор технических наук, профессор МУЛЮКОВ Эдуард Инсафович.

Ведущая организация проектно-конструкторский институт ГУП БАШПРОМСТРОЙПРОЕКТ (г.Уфа).

Защита состоится _31 октября2003 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул.Космонавтов,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан сентября2003 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Денисов О. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В общем объеме капитального строительства на долю фундаментов приходится до 10% общего расхода материалов по стоимости, а в сложных инженерно-геологических условиях эта доля может достигать 20-25%.

Важное место в проектировании фундаментов занимают инженерногеологические изыскания и расчет грунтового основания, от стоимости и продолжительности которых зависят технико-экономические показатели конструкции фундаментов, принятой для строительства.

Существующая практика проектирования фундаментов предполагает расчет грунтового основания по данным бурения и получения информации о грунтовом массиве в виде лобразцов-представителей, которые проходят лабораторную обработку. Результаты представляются в виде разрезов массива, отражающих качественный характер напластований грунтов. Для расчетов грунтового основания фундаментов выдаются результаты статистической обработки результатов испытаний образцов в виде обобщенных данных по отдельным инженерно-геологическим элементам грунтового массива. При такой методике значительны сроки получения информации для расчетов, а также мало возможности проектировщикам более полно проследить неравномерность массива под проектируемым зданием, так как большая стоимость и трудоемкость бурения скважин и обработки образцов ограничивает сетку скважин на площадке и объем информации о грунтовом массиве.

Актуальность работы. Развитие технологии статического зондирования грунтов к настоящему времени позволяет считать, что информация по одной скважине при статическом зондировании получается в значительно более короткие сроки по сравнению с методом бурения разведочных скважин.

Практика использования, например, зондирующей установки С-832 на базе автомобиля позволяет получить информацию по площадке в 8-10 раз быстрее традиционного метода бурения, при большем числе точек зондирования.

Успешное применение статического зондирования для проектирования свайных фундаментов, в результате которого значительно сократились сроки и стоимость проектирования, поставило проблему разработки методов проведения изысканий для фундаментов на естественном основании и компьютерной технологии проектирования на базе данных зондирования.

Целью диссертационной работы явилось решение научно-технической проблемы создания метода проектирования грунтового основания по цифровым моделям на базе данных статического зондирования, обеспечивающего:

- значительное снижение объемов бурения и лабораторной обработки образцов грунта на площадках проектируемых зданий за счет использования статического зондирования;

- получение на базе данных зондирования более полной информации о грунтовом массиве с меньшими затратами для построения цифровых моделей и дальнейшего автоматизированного проектирования фундаментов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработать метод и предложить для проектирования расчетные зависимости для оценки расчетного давления на грунт по данным статического зондирования.

2. На базе экспериментальных исследований разработать и предложить методику и расчетные зависимости для определения модуля деформации по данным зондирования.

3. Разработать методику построения цифровых моделей разрезов массивов грунта со значениями расчетных характеристик по данным статического зондирования.

4. Провести проверку методики построения цифровых моделей и расчетов грунтового основания на их основе на реальных строительных площадках.

5. Исследовать возможность использования статического зондирования для предпроектной оценки площадок зданий на карстоопасных площадках.

Методы и достоверность исследований. Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях механики грунтов и подтверждены результатами крупных натурных экспериментов непосредственно на строительных площадках. Кроме того, проведено большое количество экспериментов в условиях полигона и лабораторных условиях, результаты которых легли в основу предлагаемых расчетных формул. При проведении экспериментальных исследований использовались современная электронная аппаратура, тензометрические приборы и оборудование для статического зондирования, а результаты обрабатывались с применением ЭВМ. Получена приемлемая сходимость между результатами расчетов по предлагаемым формулам и данными натурных испытаний фундаментов, расхождения не превышают 15%.

Методики экспериментальных исследований соответствуют действующим нормам, анализ полученных результатов проводился с использованием современных статистических методов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней впервые разработано новое направление в методике проектирования грунтового основания фундаментов по цифровым моделям, полученным по данным статического зондирования, включающее:

- проектирование грунтового основания столбчатых и ленточных фундаментов по плоским цифровым моделям разрезов площадок с применением ЭВМ;

- проектирование грунтового основания фундаментов большой площади по объемным цифровым моделям массива;

- методику применения объемных цифровых моделей для предпроектной оценки грунтового массива карстоопасных площадок;

- методику определения расчетных характеристик грунтового основания по данным статического зондирования.

Практическое значение работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках выполнения целевой программы Наука Минпромстроя СССР на 1985-90 гг., раздел 8.27.4, Подготовить комплект программ для ЭВМ по обработке данных скоростных изысканий и использования их при проектировании, а также Программы научно-технического обеспечения строительного комплекса Республики Башкортостан на 1996-2000 гг..

Разработаны Рекомендации по расчету оснований, фундаментов мелкого заложения по данным статического зондирования, выпущенные институтом НИИпромстрой. Разработано также программное обеспечение для расчетов грунтового основания по цифровым моделям на базе данных статического зондирования.

Использование разработанных предложений при проектировании фундаментов нескольких производственных зданий позволило существенно снизить объем инженерно-геологических изысканий, получить экономию бетона фундаментов и главное - значительно сократить сроки изысканий и проектирования фундаментов.

ичный вклад в решение проблемы. Представленная на защиту работа базируется на результатах многолетних исследований при научном руководстве автора и проведена в порядке выполнения научно-технических программ Минпромстроя СССР и Госстроя Республики Башкортостан.

Автором лично осуществлены: постановка проблемы, формулирование цели и задач, поиск их решения путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, анализ полученных результатов и разработка практических рекомендаций, а также контроль за опытным внедрением. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных работах, проводимых в лабораториях, на полигонах и строительных площадках.

Работа выполнялась в Уфимском государственном нефтяном техническом университете и отделе механики грунтов института БашНИИстрой (НИИпромстрой).

Автор выражает личную глубокую признательность сотрудникам БашНИИстроя и кафедры Строительные конструкции за помощь и поддержку при выполнении работы.

Автор благодарит научного консультанта, доктора технических наук, профессора Рыжкова И.Б. и профессора Незамутдинова Ш.Р. за ценные советы и помощь при разработке программного обеспечения.

На защиту выносятся:

1. Метод проектирования грунтовых оснований по цифровым моделям на базе статического зондирования.

2. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия зонда с грунтом при малых скоростях нагружения для обоснования методов получения прочностных и деформационных характеристик грунта, необходимых для расчета грунтового основания фундаментов.

3. Методика и расчетные зависимости для оценки прочностных и деформационных характеристик, необходимых для расчета основания по данным зондирования.

4. Методика построения плоских цифровых моделей и расчета по ним грунтового основания фундаментов.

5. Методика построения объемных цифровых моделей грунтового массива и предложения по ее использованию при расчете фундаментов больших площадей.

6. Результаты проверки предлагаемых методов построения цифровых моделей и расчета по ним фундаментов на строительных площадках.

7. Предложения по использованию разработанных методик построения цифровых моделей для оценки карстоопасных площадок при проектировании фундаментов.

8. Основные выводы экспериментальных и теоретических исследований и рекомендаций по применению предложенных методов в практике проектирования фундаментов.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на XI и XII научно-технических конференциях НИИпромстроя (Уфа, 1984-гг.), II Всесоюзном совещании-семинаре Механизированная безотходная технология возведения фундаментов (Владивосток, 1988 г.), Всесоюзном семинаре Системы автоматизированного проектирования оснований и фундаментов (Челябинск, 1988 г.), VI Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения (Уфа, 1998 г.), Международной конференции Усиление оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений (Пенза, 2000 г.), Международной научно-технической конференции Современные проблемы фундаментостроения (Волгоград, 2001г.), Х Congress International Council for Building Research (Чикаго, 1986 г.).

Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в печатных работах. Основные результаты включены в Рекомендации по расчету оснований фундаментов мелкого заложения по данным статического зондирования, Уфа, 1985, НИИпромстрой.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Она содержит страницу машинописного текста, включая 32 таблицы, 109 рисунков, список литературы из 201 наименования и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы использования данных статического зондирования для расчета грунтовых оснований и развития компьютерных методов расчета на этой базе.

1. Цифровые модели в геологии и геотехнике Опыт использования автоматизированных систем проектирования показал, что возросла роль нового вида информационной продукции - цифровых моделей, которые становятся основой получения конечной графической информации и средством ее хранения для проектируемого объекта. Математические методы обработки данных с использованием ЭВМ в геологии начинают интенсивно развиваться в нашей стране с 60-х годов. При этом в геологии, где неоднородность изучается преимущественно с качественной стороны, основное внимание уделяется развитию методов аппроксимации геологических поверхностей.

В инженерной геологии используется количественная оценка неоднородности. Преобладает подход, когда характеристики неоднородности задаются зависимостью показателя свойств от пространственных координат.

Традиционная система описания неоднородности грунтового массива в инженерной геологии основывается на выделении отдельных инженерногеологических элементов (ИГЭ).

Первой успешной попыткой применения цифровых моделей в инженерной геологии были предложения В.Х.Мавроди и В.П.Чунихина (1983).

Предложенная методика позволяла получать крупномасштабную цифровую модель инженерно-геологических условий местности и выделять с помощью автоматизированного расчета ИГЭ.

Для расчета грунтового основания массива, с которым непосредственно взаимодействует проектируемое сооружение, необходима оценка неоднородности при линейном масштабе на порядок меньше области взаимодействия сооружения с грунтом, что требует более частой сетки разведочных скважин.

Применение статического зондирования с использованием высокопроизводительных установок дало возможность проводить обследование площадок с более частой сеткой скважин.

На базе данных статического зондирования в конце 70-х годов БашНИИстрой предложил методику расчета свайных оснований по цифровым моделям с применением ЭВМ. Опыт использования маломасштабных цифровых моделей грунтового массива на базе данных зондирования для свайных оснований показал:

- статическое зондирование обеспечивает получение информации о грунтовом массиве по достаточно частой сетке, при этом значительно сокращается время получения информации и объем лабораторных испытаний;

- методика построения цифровых моделей позволяет на всех стадиях обработки информации использовать ЭВМ;